双轴旋转摆线环加速动力装置及其工作方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种双轴旋转摆线环加速动力装置及其工作方法。

背景技术：
：

现有空间飞行载体形成加速运动主要方式是载体自身携带大量燃料并通过燃烧产生对载体的反作用力推动载体加速运动，如：航空喷气发动机、火箭、空间探测器等。

以上产生载体加速运动的原理遵循牛顿第三定律，即两个物体之间作用力和反作用力在同一直线上、大小相等、方向相反，因此，飞行载体必须在加速运动的反方向抛弃大量的反推物质才能使物体产生加速运动，这种运输方式不仅存在能源利用率低，而且污染大、不可持续发展，因此，有必要设计一种新型的动力装置实现可持续发展。

技术实现要素：
：

本发明的目的在于针对以上不足之处，提供一种无需反推物质就能实现自身加速运动，且具备结构简单、推力大、节能环保等特点的双轴旋转摆线环加速动力装置及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双轴旋转摆线环加速动力装置，包括与运动载体相连接的主环、至少一个活动设置在主环内侧的副环，所述主环和副环均由两个轴线重合且固定连接的第一轴摆线环组成，所述第一轴摆线环包括第一轴旋转环、套设在第一轴旋转环外侧的第一轴固定环，所述第一轴旋转环的内部设有复数个沿其轴线环形均布的第二轴摆线环，复数个第二轴摆线环的轴线相交于第一轴旋转环的轴线上同一点，所述第二轴摆线环包括第二轴旋转环、套设在第二轴旋转环外侧并与第一轴旋转环固定连接的第二轴固定环，所述复数个第二轴旋转环的轴线相交于第一轴旋转环的轴线上同一点，所述第一轴固定环、第一轴旋转环、第二轴固定环及第二轴旋转环分别与调速电源电性连接。

进一步的，所述主环的内侧设有圆心与主环的圆心位于同一平面的固定环架，所述固定环架的轴线与主环的轴线平行，固定环架与主环之间经若干呈环形均布的连接座固定连接，固定环架的圆心处设置有一轴线与固定环架的轴线垂直的活动环架，所述活动环架与固定环架滑动连接；所述副环设置在活动环架的圆心处且其轴线分别与活动环架和固定环架的轴线垂直相交，副环与活动环架滑动连接。

进一步的，所述第一轴固定环、第一轴旋转环、第二轴固定环以及第二轴旋转环均缠绕有导电线圈，所述第二轴旋转环为实心结构，第二轴旋转环为永磁体或包裹有线圈的高导磁率材料。

进一步的，所述第一轴固定环与第一轴旋转环之间经第一滑刷连接成同一回路；所述第二轴固定环与第二轴旋转环之间经第二滑刷连接成同一回路；所述第二轴固定环与第一轴固定环之间经第三滑刷连接成同一回路；所述第一滑刷与第一调速电源电性连接，所述第三滑刷与第二调速电源电性连接。

进一步的，所述第一轴固定环与第一轴旋转环之间、第二轴固定环与第二轴旋转环之间分别设置有若干以利转动的轴承。

本发明一种双轴旋转摆线环加速动力装置的工作方法，包含如下步骤：

步骤（1）：对主环的两个第一轴摆线环通电，使主环内的第一轴固定环、第一轴旋转环、第二轴固定环以及第二轴旋转环通电产生磁场，在磁力作用下第一轴旋转环和第二轴旋转环分别绕其轴线旋转，第二轴旋转环沿着第一轴旋转环的圆轨迹做摆线运动，当形成旋转合运动时，第二轴旋转环对第一轴旋转环形成推力，即该推力的方向为运动载体的第一加速方向；

步骤（2）：通过测速装置对主环内的第一轴旋转环与第二轴旋转环进行测速，将测速信号反馈至调速电源，调速电源增加或减少供电电流，使主环的第一轴旋转环与第二轴旋转环的速度增加或减少，直至为载体的第一加速方向提供所需的加速度；

步骤（3）：将副环的轴线对准运动载体的另一个所需加速方向，对副环的两个第一轴摆线环同时通电，使副环内的第一轴固定环、第一轴旋转环、第二轴固定环以及第二轴旋转环通电产生磁场，在磁力作用下第一轴旋转环和第二轴旋转环分别绕其轴线旋转，当形成旋转合运动时，第二轴旋转环对第一轴旋转环形成推力，即该推力的方向为运动载体的第二加速方向；

步骤（4）：通过测速装置对副环内的第一轴旋转环与第二轴旋转环进行测速，将测速信号反馈至调速电源，调速电源增加或减少供电电流，使主环的第一轴旋转环与第二轴旋转环的速度增加或减少，直至为载体的第二加速方向提供所需的加速度。

进一步的，所述步骤（1）中主环的两个第一轴摆线环分别通入方向相反的电流；所述步骤（4）中副环的两个第一轴摆线环分别通入方向相反的电流。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构简单，利用相互垂直的两个方向的旋转叠加产生摆线加速度来推动载体运动，助推力大，可应用于各类飞行器；同时以电能为动力，无需携带大量的化学燃料，同时使用过程中仅产生热量，对环境影响较小，达到节能环保的效果。

附图说明：

图1是本发明实施例的结构示意图一；

图2是本发明实施例的结构示意图二；

图3是图1中a-a剖面视图；

图4是第一轴摆线环与第二轴摆线环的装配结构示意图；

图5是进动运动的力偶关系示意图；

图6是进动运动的运动状态示意图；

图7是旋转合运动的加速度方向示意图；

图8是旋转合运动中圆环的自转速度方向示意图；

图9是旋转合运动的运动轨迹示意图；

图10是四个圆环模拟旋转合运动的运动轨迹示意图；

图11是图10中移除两个圆环后的旋转合运动的运动轨迹示意图。

图中：

1-主环；2-副环；3-第一轴摆线环；301-第一轴旋转环；302-第一轴固定环；4-第二轴摆线环；401-第二轴旋转环；402-第二轴固定环；5-固定环架；6-连接座；7-活动环架。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-4所示，本发明一种双轴旋转摆线环加速动力装置，包括与运动载体相连接的主环1、至少一个活动设置在主环1内侧的副环2，所述主环1和副环均2由两个轴线重合且固定连接的第一轴摆线环3组成，所述第一轴摆线环3包括第一轴旋转环301、套设在第一轴旋转环301外侧的第一轴固定环302，所述第一轴旋转环301的内部设有复数个沿其轴线环形均布的第二轴摆线环4，复数个第二轴摆线环4的轴线相交于第一轴旋转环301的轴线上同一点，所述第二轴摆线环4包括第二轴旋转环401、套设在第二轴旋转环401外侧并与第一轴旋转环301固定连接的第二轴固定环402，所述复数个第二轴旋转环401的轴线相交于第一轴旋转环301的轴线上同一点，所述第一轴固定环302、第一轴旋转环301、第二轴固定环402及第二轴旋转环401分别与调速电源电性连接。

本实施例中，所述第二固定环402通过固定介质固定在第一轴旋转环301内部。

本实施例中，所述主环1内的第一轴固定环302与运动载体相连接。

本实施例中，所述主环1的内侧设有圆心与主环1的圆心位于同一平面的固定环架5，所述固定环架5的轴线与主环1的轴线平行，固定环架5与主环1之间经若干呈环形均布的连接座6固定连接，固定环架5的圆心处设置有一轴线与固定环架5的轴线垂直的活动环架7，所述活动环架7与固定环架5滑动连接；所述副环2设置在活动环架7的圆心处且其轴线分别与活动环架7和固定环架5的轴线垂直相交，副环2与活动环架7滑动连接；工作时副环2可沿着活动环架7滑动，而活动环架7和沿着固定环架5滑动，进而使得副环2可在三维方向自由转动。

本实施例中，所述副环2的外侧面铰接有两个第一滚轮，两个所述第一滚轮以副环的圆心对称分布，所述活动环架7的内侧面设有一以利第一滚轮滑动的第一环形滑槽；所述活动环架7的外侧面铰接有两个第二滚轮，两个所述第二滚轮以活动环架7的圆心对称分布，所述固定环架5的内侧面设有一以利第二滚轮滑动的第二环形滑槽。

本实施例中，所述第一轴固定环302、第一轴旋转环301、第二轴固定环402以及第二轴旋转环401均缠绕有导电线圈，所述第二轴旋转环401为实心结构，第二轴旋转环401为永磁体或包裹有线圈的高导磁率材料。

本实施例中，所述第一轴固定环302与第一轴旋转环301之间经第一滑刷连接成同一回路；所述第二轴固定环402与第二轴旋转环401之间经第二滑刷连接成同一回路；所述第二轴固定环402与第一轴固定环302之间经第三滑刷连接成同一回路；所述第一滑刷与第一调速电源电性连接，所述第三滑刷与第二调速电源电性连接。

本实施例中，所述第一轴固定环302与第一轴旋转环之301间、第二轴固定环402与第二轴旋转环401之间分别设置有若干以利转动的轴承，以确保第一轴旋转环301与第二轴旋转环401旋转时摩擦力较小。

本实施例中，所述主环1与副环2均由两个轴线重合且固定连接的第一轴摆线环3组成，由于第一轴摆线环3通电后，第一轴旋转环301在第一轴固定环302内旋转时会产生较大的扭矩，因此采用两个第一轴摆线环同轴固定在一起，工作时通入方向相反的电流，以使两个第一轴旋转环以相反的方向旋转，进而相互抵消扭矩。

本实施例中，该双轴旋转摆线环加速动力装置是利用旋转合运动将对称力偶转化为定向推力，具体工作方法说明如下：

（1）引用条件

本说明在描述旋转合运动时，以两个大小、质量、旋转速度相同、旋转方向相同的圆环围绕着共同轴线上静止状态中心点旋转为分析对象，并运用等效替代法分析进动现象的旋转合运动性质。

从外部观察，轴线相同、自身旋转方向相同的两个圆环相互围绕轴线上静止点再次旋转，为旋转合运动，在轴线静止点观察，圆环的圆心处于加速状态，圆环上质点呈变速运动，属于非惯性系作用力范畴，牛顿运动定律并不完全适用，因此，本说明仅从质点运动的方法分析圆环受力和运动特征。

本说明所述质点旋转运动特征有：一是在恒定旋转过程中，改变质点运动方向的旋转加速度总是垂直于质点速度方向，其大小与质点速度平方成正比；二是当质点同时受到两个旋转加速度影响时，其加速度矢量和满足平行四边形规则。

（2）进动旋转特征

如图5所示，圆环自转角速度为ω（轴线旋转箭头所示），在力偶f作用下做规则进动，进动角速度为ω（圆环上方旋转箭头所示）。在无重力环境下，力偶f作用可等效于圆环围绕力偶着力点做圆周运动，并产生进动角速度ω，因此，可以用旋转合运动的方法模拟进动现象。

如图6所示，将自转角速度ω、自转方向相同、共轴的圆环m1、m2固定在轴线上，以轴线中心点p为静止圆心，施加在轴线p点、p´点的力偶f使圆环m1、m2沿v方向旋转，这时，圆环m1、m2产生围绕圆心p旋转初速度v，同时，圆环m1、m2各自在旋转初速度v的垂直方向上产生进动，进动角速度为ω；因此，力偶f产生的效果等效于圆环围绕圆心p旋转的初速度v，初速度v产生了进动角速度ω，而进动角速度来源于进动加速度。

（3）旋转合运动加速度

如图7所示，圆环m1、m2的圆心围绕p点以速度v进行旋转，形成以p点为圆心的旋转面以及轴线z，以圆环m1上的质点a、c为例；质点a、c均受到两个方向加速度影响，除圆环自转形成的向心加速度外，圆环形成旋转合运动的向心加速度垂直于质点速度方向，因此，在旋转合运动的瞬间，分布在圆环上所有质点向心加速度方向均平行于x轴，每个质点所对应的圆心垂直投影到z轴所在的平面上，其圆心分布形状为投影圆。

进一步的，圆环上所有质点运动轨迹均为摆线，质点a在圆环自转速度方向与旋转合运动方向相同，质点a在在投影圆上形成的瞬间速度为v+v，反之，质点c在圆环自转速度方向与旋转合运动方向相反，质点c在在投影圆上形成的瞬间速度为v-v，其中，v为圆环圆心进行旋转合运动的速度，v为圆环自转速度。

进一步的，改变质点方向的向心加速度大小与质点速度平方成正比，因此，质点a的离心加速度大于质点c的离心加速度，其质点a产生的离心力f1大于质点c产生的离心力f2。

进一步的，两个圆环之间产生了对称力偶f，其大小为f=f1-f2，由于力偶的作用，使圆环产生了垂直于初速度v方向上的进动加速度a2，使圆环m1、m2圆心围绕圆心p按图7所示进动方向旋转。

进一步的，两个自转圆环m1、m2相互旋转产生了两个不同方向的加速度，第一个加速度是使两个圆环以v速度相互旋转的加速度a1，第二个加速度是使两个圆环产生垂直于v方向的进动加速度a2，分析如下：

如图8所示，由于圆环自身旋转方向与初速度vx方向相同一侧与圆环自身旋转方向与初速度vx方向相反一侧之间具备对称性，因此，圆环上对称的两个质点加速度平均值为，其中，为圆环圆心与静止点距离，为圆环圆心进行旋转合运动的速度，为圆环上质点自身旋转速度v在旋转合运动速度v方向上的瞬时速度分量。

进一步的，使两个圆环以速度v进行圆周运动的向心加速度满足，而圆环旋转合运动所产生的加速度超出了圆周运动所需的加速度，其额外的加速度就产生了进动加速度，即。

（4）旋转合运动的轨迹

如图9所示，在旋转速度v不变的情况下，进动加速度a2则保持不变，由于进动加速度a2始终垂直于以p点为圆心的旋转速度v，因此，两个圆环各自形成了两个圆周运动，其圆周运动的向心加速度为加速度a1与加速度a2的矢量和，即。

从相互旋转圆心p点观察，两个圆环的圆心m1、m2分别形成各自绕p1、p2为圆心的圆轨迹旋转，其中p1点、p2点与p点共轴，两个圆环圆心m1、m2之间旋转速度相同、方向相同，由于向心加速度a3与圆环围绕p1点或p2点进行圆周运动的离心加速度相反，其合外力为零，因此，两个圆环形成稳定的旋转合运动轨迹。

（5）定向加速特征

如图10所示，将圆环ⅰ和圆环ⅲ共轴连接，将圆环ⅱ和圆环ⅳ共轴连接，使两个共轴相交于共同圆心p点并对称布置；使圆环ⅰ、圆环ⅱ、圆环ⅲ、圆环ⅳ自转，使圆环ⅰ和圆环ⅲ围绕圆心p旋转、圆环ⅱ和圆环ⅳ围绕圆心p旋转，使两者相互旋转的圆轨迹p1、p2完全相同，并形成稳定的旋转合运动。

如图11所示，移除圆环ⅲ和圆环ⅳ，并保持圆环ⅰ、圆环ⅱ的自转和围绕p1点旋转状态不变，此时，圆环ⅰ、圆环ⅱ的圆心围绕p1点旋转形成的离心加速度a3、进动加速度a2的大小方向保持不变。

进一步，圆环绕圆心p1所形成的离心加速度a3与进动加速度a2矢量和为圆心p形成的离心加速度a1，与原向心加速度a1大小相等、方向相反。

进一步的，圆环1、圆环2的离心加速度a1矢量和形成了合加速度a4，产生了定向加速度。

（6）双轴旋转摆线环加速动力装置的实现方法

如图11所示，保持圆环ⅰ、圆环ⅱ自身旋转以及相互旋转的运动轨迹不变时，可使圆环ⅰ、圆环ⅱ产生进动加速度a2、离心加速度a3，其进动加速度a1矢量和产生了合加速度a4，若将圆环按以上旋转合运动方式布设在载体中并维持旋转速度不变,合加速度a4便会对载体产生定向作用力，从而推动载体加速运动。

所述双轴旋转摆线环加速动力装置中，第一轴摆线环作用是使布设在第一轴旋转环上的第二轴摆线环产生旋转，所述第二轴摆线环作用是使布设在第二轴固定环内的第二轴旋转环产生旋转，其中，第二轴旋转环产生的旋转等效于上述圆环自转，第二轴摆线环按照上述以p1为圆心的圆轨迹布设在第一轴摆线环内，并使第二轴旋转环以轴线相交点p为圆心形成旋转合运动。

本实施例中，所述第一轴固定环和第一轴旋转环缠绕的导电线圈，其主要作用是产生环形磁场，使第一轴旋转环在第一轴固定环内旋转；所述第二轴固定环和第二轴旋转环缠绕的导电线圈，其主要作用是产生环形磁场，使第二轴旋转环在第二轴固定环内旋转；以上所述导电线圈的滑刷与调速电源电性连接，通过测速分别调节第一轴旋转环和第二轴旋转环的旋转速度，使第二轴旋转环上每个质点呈现摆线运动轨迹，用于调节合加速度a4大小。

本实施例中，所述第一轴旋转环和第二轴旋转环形成旋转合运动时，第二轴旋转环将产生如上所述以p1为圆心的离心加速度、以p为圆心的进动加速度，其复数个第二轴旋转环产生的进动加速度矢量和形成了对第二轴固定环环壁的定向作用力，从而推动载体加速运动。

具体实施过程：（1）先对主环内的两个第一轴摆线环通电，第一轴旋转环与第二轴旋转环在磁力作用下分别绕自身轴线旋转，第二轴旋转环沿着第一轴旋转环的圆轨迹做摆线运动，当形成旋转合运动时，第二轴旋转环产生进动加速度，形成对第二轴固定环环壁的推力；接着对第一轴旋转环与第二轴旋转环进行测速，通过最后再通过调速电源使主环的第一轴旋转环与第二轴旋转环的速度增加或减少，直至为运动载体所要运动的方向提供所需的加速度；（2）将副环的轴线对准运动载体的另一个所需加速方向，对副环内的两个第一轴摆线环通电，第一轴旋转环与第二轴旋转环在磁力作用下分别绕自身轴线旋转，第二轴旋转环沿着第一轴旋转环的圆轨迹做摆线运动，当形成旋转合运动时，第二轴旋转环产生进动加速度，形成对第二轴固定环环壁的推力；接着对第一轴旋转环与第二轴旋转环进行测速，通过最后再通过调速电源使副环内的第一轴旋转环与第二轴旋转环的速度增加或减少，直至为运动载体另一个所要运动的方向提供所需的加速度。

本发明一种双轴旋转摆线环加速动力装置的工作方法，包含如下步骤：

步骤（1）：对主环的两个第一轴摆线环通电，使主环内的第一轴固定环、第一轴旋转环、第二轴固定环以及第二轴旋转环通电产生磁场，在磁力作用下第一轴旋转环和第二轴旋转环分别绕其轴线旋转，第二轴旋转环沿着第一轴旋转环的圆轨迹做摆线运动，当形成旋转合运动时，第二轴旋转环对第一轴旋转环形成推力，即该推力的方向为运动载体的第一加速方向；

步骤（2）：通过测速装置对主环内的第一轴旋转环与第二轴旋转环进行测速，将测速信号反馈至调速电源，调速电源增加或减少供电电流，使主环的第一轴旋转环与第二轴旋转环的速度增加或减少，直至为载体的第一加速方向提供所需的加速度；

步骤（3）：将副环的轴线对准运动载体的另一个所需加速方向，对副环的两个第一轴摆线环同时通电，使副环内的第一轴固定环、第一轴旋转环、第二轴固定环以及第二轴旋转环通电产生磁场，在磁力作用下第一轴旋转环和第二轴旋转环分别绕其轴线旋转，当形成旋转合运动时，第二轴旋转环对第一轴旋转环形成推力，即该推力的方向为运动载体的第二加速方向；

步骤（4）：通过测速装置对副环内的第一轴旋转环与第二轴旋转环进行测速，将测速信号反馈至调速电源，调速电源增加或减少供电电流，使主环的第一轴旋转环与第二轴旋转环的速度增加或减少，直至为载体的第二加速方向提供所需的加速度。

本实施例中，所述步骤（1）中主环的两个第一轴摆线环分别通入方向相反的电流，以使主环的两个第一轴摆线环内的旋转环以相反方向旋转，互相抵消扭矩；所述步骤（4）中副环的两个第一轴摆线环分别通入方向相反的电流，以使副环的两个第一轴摆线环内旋转环以相反方向旋转，互相抵消扭矩。

本实施例中，所述测速装置可为测速仪或测速传感器，测速装置安装在运动载体上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。